Analisi del pattern di deambulazione di bambini con disabilità neuromotoria attraverso un sensore magnetico/inerziale G-SENSOR ®

Introduzione

Scopo di questo studio era quello di verificare se attraverso un sensore commerciale (G-SENSOR ® BTS Italia) a basso costo era possibile valutare l’efficacia, l’efficienza ed il consumo energetico durante la deambulazione in un gruppo eterogeneo di bambini affetti da differenti forme e tipi di patologie neuromotorie.

Strumentazione

Il G-SENSOR ® è un dispositivo dotato di un sensore inerziale che permette la rilevazione di parametri spazio-temporali e cinesiologici in soggetti deambulanti. Il sensore inerziale è un MEMS (Micro- Electro Mechanical System) formato da:

• Un accelerometro triassiale che misura l’accelerazione lineare e la forza di gravità, utilizzando lo spostamento di una molla su un asse lineare.
• Un giroscopio triassiale che misura la velocità angolare di rotazione attorno ad un asse.
• Un sensore magnetico triassiale in grado di misurare il vettore campo magnetico terrestre in relazione alla nostra posizione e al nostro orientamento nello spazio.

Fig.12: G-SENSOR ®

In dotazione viene fornita una cintura ergonomica che bisogna posizionare nel paziente a livello di S1 (prima vertebra sacrale): tale cintura presenta una taschina centrale nella quale andrà inserito il sensore.

Fig.13: Cintura ergonomica in dotazione

Per il suo funzionamento, G-SENSOR ® necessita di un software dedicato di elaborazione G- STUDIO®. Il sensore e computer per la raccolta e l’elaborazione off-line dei dati comunicano attraverso protocollo specifico Bluetooth. Prima di iniziare la procedura è necessario creare un nuovo report del paziente, inserendo dati personali e antropometrici quali nome e cognome, peso (misurato in kg), altezza (misurata in cm), età, sesso e le misure degli arti inferiori (dal grande trocantere fino al malleolo laterale).

Fig.14: Dispositivo Bluetooth in dotazione

Dopo aver completato il report e connesso il G-SENSOR ® scegliamo il tipo di protocollo che vogliamo utilizzare: il software G-STUDIO® consente infatti l’utilizzo del sensore in una molteplicità di prove specifiche quali 6MWT, Time Up and Go Test, Turn Test, Jump Test, Free Test, valutazione della corsa e del cammino. Nel nostro studio abbiamo utilizzato esclusivamente il protocollo per la valutazione del cammino che consente l’acquisizione dei dati durante l’espressione del pattern deambulatorio, consentendo al paziente di camminare il più possibile in condizioni naturali. Prima di iniziare la rilevazione dei dati era necessario un breve periodo di stabilizzazione del segnale nel quale ogni paziente doveva rimanere fermo in statica eretta per evitare che il sensore fosse soggetto a perturbazioni esterne. Al termine i dati rilevati venivano confrontati in tempo reale con i parametri normalizzati rispetto ad un gruppo di controllo: risultava quindi possibile l’elaborazione di report in tempo reale con tanto di grafici per valutare quali caratteristiche si presentavano particolarmente critiche nella deambulazione del paziente. I dati cinesiologici ottenibili con il G-SENSOR ® sono relativi alle caratteristiche spazio-temporali e agli angoli pelvici nei 3 piani anatomici durante la progressione. I dati spazio-temporali riguardano nello specifico:

• la durata della prova, misurata in secondi (s)
• la cadenza, ovvero la frequenza dei semipassi anteriori nell’unità di tempo, misurata in passi al minuto (passi/min)
• la velocità della marcia, misurata in metri al secondo (m/s)
• la durata del ciclo del passo, misurata in secondi (s)
• la lunghezza del passo ed il relativo rapporto % con l’altezza, misurate rispettivamente in metri ed in percentuali (rispetto all’altezza)
• la lunghezza del semipasso anteriore, espressa in % della lunghezza del ciclo del passo
• le durate delle fasi di appoggio e di volo, entrambe misurate in % rispetto alla durata del ciclo del passo
• le durate delle fasi di appoggio monopodalico e di doppio appoggio, entrambe misurate in % rispetto alla durata del ciclo del passo

I parametri relativi alla cinesiologia della pelvi vengono rilevati bilateralmente durante la progressione della marcia: considerando i movimenti sui 3 piani anatomici possiamo misurare

• gli angoli di rotazione interna-rotazione esterna
• gli angoli di anti-retroversione (tilt pelvico)
• gli angoli di obliquità del bacino

Soggetti

Per il nostro studio sono stati reclutati 10 pazienti: 4 con paralisi cerebrale infantile di cui 2 con emiplegia spastica e 2 con diplegia spastica, 2 con paraparesi spastica ereditaria, 2 con distrofia muscolare di Duchenne, 1 con diagnosi di disturbo del movimento ipocinetico rigido ed 1 con sindrome di Shwachman-Diamond (una complessa anomalia congenita multisistemica, a trasmissione autosomica recessiva, il cui gene responsabile è stato identificato nel cromosoma 7). All’interno del gruppo di sperimentazione 2 soggetti hanno utilizzato tutori del tipo AFO (tutori gamba-piede) ed 1 del tipo AFODS (tutori-gamba piede a doppia spirale). Tra questi 3 pazienti, 2 hanno usufruito di un deambulatore a trazione anteriore. Sono state considerate come ortesi anche le scarpe con annessi plantari poiché elementi determinanti nella modifica del pattern del cammino dei giovani pazienti. L’età media del gruppo di sperimentazione era di 8,5 (8 anni e 5 mesi) con una deviazione standard di ± 4,5 (range, 1 anno e 10 mesi- 17 anni e 11 mesi); al contrario la media e la deviazione standard di peso e altezza erano rispettivamente 26,8 ± 13,3 kg (range, 48 kg – 11 kg) e 122,4 ± 25,7 cm (range, 166 cm- 86 cm).

Paziente

Tabella 1: caratteristiche cliniche dei pazienti aderenti allo studio

Legenda: PCIdipsp=Paralisi Cerebrale Infantile diplegica spastica, PCIemisp=Paralisi Cerebrale Infantile emiplegica spastica, PSE=Paraparesi Spastica Ereditaria, DMD=Distrofia Muscolare di Duchenne, DMIR=Disturbo del Movimento Ipocinetico Rigido, SDS=Sindrome di Shwachman-Diamond, AFOR=Tutori gamba piede di tipo AFO RIGIDE, AFODP=Tutori gamba piede di tipo AFO A DOPPIA SPIRALE , DTA=Deambulatore a trazione anteriore

Protocollo di valutazione

Il protocollo di valutazione consisteva nel far deambulare i pazienti avanti e indietro in un tracciato rettilineo di 10 m. A seconda del tipo di ortesi indossate dai pazienti, sono state effettuate più registrazioni con e senza facilitazioni per consentire un confronto in tempo reale dei pattern deambulatori nelle prove qualitativamente migliori: Non tutti i partecipanti allo studio sono riusciti a concludere la prova nei termini precedentemente descritti: in questi casi l’interruzione della procedura è coincisa con l’arresto prolungato della marcia da parte dei singoli soggetti, determinando ripercussioni sull’elaborazione dei risultati. La valutazione è risultata facilmente tollerabile ed assolutamente non invasiva per la totalità dei partecipanti.

Risultati

Sono stati comparati i dati delle migliori performance, relativi alle singoli variabili, di ciascun paziente nelle diverse condizioni, ovvero con e senza l’utilizzo di ortesi. I dati sperimentali acquisiti dal G-SENSOR ® relativi ai parametri spazio-temporali sono stati verificati attraverso l’utilizzo del test non parametrico di Wilcoxon. Tale metodica consente di verificare che una serie di valori ordinali corrisponda ad una stessa distribuzione continua grazie al confronto tra un valore soglia chiamato α (che corrisponde comunemente a 0,05) ed il valore p, chiamato anche livello di significatività osservato:

• se il valore p > α allora è confermata l’ipotesi nulla H0, ovvero l’ipotesi iniziale per cui i due gruppi di valori ordinali corrispondono ad una stessa distribuzione continua
• se il valore p < α allora è rigettata l’ipotesi nulla quindi i dati osservati sono statisticamente significativi

In conclusione sono stati sviluppati grafici nel quale è possibile osservare il confronto tra i tracciati delle due prove (con ortesi vs senza) nei campi d’indagine quali velocità, cadenza, lunghezza del passo, durata del ciclo, percentuali della fase di stance, delle fasi di doppio e singolo appoggio ed infine la percentuale di propulsione, ovvero la percentuale di accelerazione del centro di massa durante la fase di spinta del ciclo del passo. Di seguito illustreremo alcuni casi esemplificativi: per ogni tracciato è osservabile un quadrato centrale che rappresenta il valore medio e delle linee continue che costituiscono la deviazione standard. Nella figura 15 vediamo il confronto dei tracciati con e senza ortesi di una bambina di 4 anni e 9 mesi con diagnosi di PCI diplegica spastica

Fig.15: Pattern deambulatorio con e senza ortesi di una paziente di 4 anni e 9 mesi con diagnosi di PCI diplegica spastica. Nel grafico sono riportati i valori di velocità della marcia (VELOCITY), cadenza (CADENCE), di lunghezza del passo (STRIDE LENGHT), di durata del ciclo (CYCLE DURATION), di percentuali di stance (STANCE %) di doppio appoggio (DOUBLE SUPPORT %) di appoggio monopodalico (SINGLE SUPPORT %) e di propulsività (PROPULSION %)

come possiamo osservare con l’utilizzo di ortesi, rappresentate in tal caso da scarpe e tutori gamba piede di tipo AFO RIGIDE, la bambina ha un incremento statisticamente significativo nella percentuale della fase di doppio appoggio dell’arto sinistro, nella lunghezza del passo e nella velocità della marcia: ciò si associa ad un cammino più efficace ed efficiente e, di conseguenza meno dispendioso dal punto di vista energetico. Nella figura 16 osserviamo i risultati ottenuti nella registrazione dei pattern deambulatori di una paziente di 7 anni e 3 mesi con diagnosi di PCI diplegica spastica:

Fig.17: Pattern deambulatorio con e senza ortesi di una paziente di 7 anni e 3 mesi con diagnosi di PCI diplegica spastica

le differenze tangibili nei tracciati osservati (con scarpe e plantari vs senza) sono l'aumento della durata della fase di appoggio a sinistra ed una riduzione significativa della durata della fase di appoggio monopodalico tra i due arti inferiori (cammino meno aritmico). Nella figura 17 illustriamo i tracciati dei pattem deambulatori di un paziente di 6 anni con distrofia muscolare di Duchenne:

Fig.17: Pattern deambulatorio con e senza ortesi di un paziente di 6 anni con diagnosi di distrofia muscolare di Duchenne.

anche in questo grafico è possibile apprezzare come mediante l'utilizzo di ortesi (rappresentate dalle sole scarpe) ci siano differenze statisticamente significative correlate ad un aumento della lunghezza del passo, della velocità e della quantità di propulsione nell’arto inferiore di destra: ne possiamo dedurre che il cammino sia migliore con l’utilizzo delle ortesi. Nella figura 18 illustriamo i tracciati di un paziente di 8 anni e 9 mesi con la stessa diagnosi del caso precedente (DMD):

Fig.18: Pattern deambulatorio con e senza ortesi di un paziente di 8 anni e 9 mesi con diagnosi di distrofia muscolare di Duchenne

in questo caso possiamo osservare che l’aggiunta delle ortesi conferisce al cammino un aumento della cadenza: tuttavia è possibile apprezzare come la minor lunghezza del passo e durata del ciclo comportino l’assenza di evidenze statisticamente significative a livello della velocità. La differenza della durata della fase di appoggio nei due arti inferiori è ridotta con l’utilizzo di ortesi, mentre al contrario aumenta la differenza nella durata della fase di appoggio monopodalico tra i due arti inferiori.

Nella figura 19 discutiamo i risultati di un paziente di 13 anni e 5 mesi con diagnosi di disturbo del movimento ipocinetico rigido:

Fig.19: Pattern deambulatorio con e senza ortesi di un paziente di 13 anni e 5 mesi con diagnosi di disturbo del movimento ipocinetico rigido

in questo caso possiamo osservare come con l’utilizzo delle ortesi, rappresentate anche in questo caso dalle sole scarpe aumenti la lunghezza del passo, la cadenza e la velocità. Contemporaneamente si riduce la differenza della durata dell’appoggio monopodalico (cammino meno aritmico). Tali risultati ci orienterebbero verso un cammino più efficace con l’utilizzo di ortesi. L’ultimo caso che illustriamo è relativo ad una paziente di 17 anni e 11 mesi con diagnosi di Paraparesi Spastica Ereditaria:

Fig.20: Pattern deambulatorio con e senza ortesi di un paziente di 17 anni e 11 mesi con diagnosi di paraparesi spastica ereditaria

in questo caso possiamo osservare come in generale il pattern deambulatorio non vari nel confronto tra cammino a piedi nudi e scarpe. L’utilizzo delle scarpe fa incrementare la durata della fase di doppio appoggio.